[지식보관소] 공간상이 아니라 시간상에서도 빛이 파동성을 보인다는 사실을 알아냈다

 

 

 

얼마 전 4월 3일, 임페리얼 칼리지 런던의 물리학자 팀은

공간이 아닌 시간상의 이중 슬릿을 구현해 냈고

이를 통해 빛이 시간 축에서도 이중성을 보인다는 사실을 발견해서

네이처 피직스 저널에 게재했습니다.

 

 

200년 전, 토마스영의 실험 이후로

우리는 빛이 입자가 아닌 파동성을 보인다는 사실을 알게 되었고

추가 실험으로 관측에 따라서 입자일 수도 있고 파동일 수도 있다는 사실을 알게 되었습니다.

 

뿐만아니라 입자인 게 분명한 전자나 양성자, 심지어 고분자 구조뿐만이 아니라

이 세상 모든 것이 상호작용이 없다면

파동성을 보인다는 것을 알게 되었죠.

즉, 상호작용이 없는 상태에서는

입자는 파동함수 상태로만 존재하며

관측 전까지 이 파동 내에 동시에 존재한다는 것입니다.

 

여기에서 알 수가 있는 재미난 사실 중에 하나는,

상대성이론에 따르면,

시간이라는 건 따로 존재하는 게 아니라

공간과 똑같은 물리적인 차원이라는 것인데요

한마디로 이 우주는 적어도 x축, y축, z축, 그리고 시간 축

4개 이상의 차원으로 구성이 되어 있다는 사실입니다.

 

이 사실에 기반해서 생각을 해보면,

시간도 공간축 중에 하나이기 때문에,

이중 슬릿 실험은 공간상에서 이중 슬릿뿐 아니라

시간축의 이중 슬릿에서도 관측 여부에 의해서

파동성을 보일 수가 있다는 것입니다.

 

물리학자들은 이미 이 사실을 알고 있었지만,

조금 뒤에 설명할 이유들 때문에

현실적으로 이를 실험하는 건 불가능했기 때문에,

빛이나 전자들이 시간상에서도 파동성을 보인다는 건 실험이 힘들었습니다.

지금까지는 말이죠.

 

얼마 전 4월 3일, 임페리얼 칼리지 런던의 물리학자 팀은

공간이 아닌 시간상의 이중 슬릿을 구현해냈고,

이를 통해 빛이 시간 축에서도 이중성을 보인다는 사실을 발견해서

네이처 피직스 저널에 게재했습니다.

 

연구팀은 펜토초 단위로 속성이 변하는 물질을 이용해서

빛이 특정 시간에만 통과할 수가 있는 슬릿을 만들었고,

수백조분의 1초라는 극단적으로 짧은 순간에서

빛이 파동성을 보일 수가 있다는 걸 알아냈습니다.

 

4년 전에 제 채널에도 올렸지만, 상대성이론에 따르면,

사실 시간은 흐르는 게 아니라, 우리가 빛의 속도로 움직이고 있다는 것입니다.

다만, 우리가 빛의 속도라는 말도 안 되는 속도로 이동을 하고 있는데도

그거를 알 수가 없는 이유는,

우리가 이동하는 방향이 x축이나 y축이나 z축 같은 공간축의 방향이 아니라,

네 번째 축인 시간축의 방향으로 움직이고 있다는 것이고,

우리가 시간이라는 방향으로 움직이기 때문에

그 축으로 이동하는 속도 때문에 변하는 물리적인 특성들을

우리는 시간이라고 부른다는 것입니다.

 

이 관점으로 보면,

시간은 흐르는 게 아니라,

우리가 시간축의 방향으로 이동을 하고 있는 것이죠.

 

반대로 속도는

우리가 자동차 가속 페달을 밟으면 변한다고 오해를 하지만,

오히려 이 속도는 불변입니다.

 

우주가 탄생할 때,

빅뱅의 에너지로 인해서 우주의 모든 물질은 동일하게

빛의 속도를 가지고 태어났고,

우리가 자동차 엑셀을 밟으면 변하는 것은

속도가 아니라, 시간축으로 이동하던 이 이동의 방향을

xy, z의 공간축의 방향으로 바꾼 것일 뿐이라는 것이죠.

 

때문에 입자 가속기에서 아무리 가속을 시켜도

빛의 속도에 99.9999%까지는 만들 수가 있다고 해도

빛의 속도보다 빠른 속도는 만들지를 못하는 것입니다.

어차피 모든 속도는 빛의 속도로 정해져 있기 때문입니다.

 

사실 이 내용이 중요한 것은,

시간 방향에서 이중 슬릿 실험을 재현을 하려면

파동함수에서 허용하는 범위보다 작은 이중 슬릿이 필요하기 때문입니다.

 

예를 들어서, 전자로 이중 슬릿 실험을 하기 위해서는

두 개의 슬릿 간격이 전자가 동시에 존재할 수가 있는 범위 내에 있어야 하고

이는 실제로는 매우 좁기 때문에

매우 얇은 슬릿 2개가 필요하죠.

 

하지만 시간 방향으로 빛의 속도를 움직인다면

이 파동함수가 허용하는 범위는

이중 슬릿의 간격이 빛이 이 이중 슬릿의 사이를 이동하는 데 걸리는 시간과 동일해야 한다는 것입니다.

 

실제로는 이중 슬릿은 매우 가깝게 위치하고 있는 데 반해서

빛은 1초에 지구를 7바퀴 반을 도는 엄청난 속도이기 때문에

광자로 실험하려고 해도

적어도 천조분의 1초에 가까운 시간이 필요하다는 것을 의미합니다.

 

이를 구현하기 위한 기술적인 난이도가 너무나도 어려웠지만

연구팀은 펨토초 단위로 빛을 발사하고

이 빛이 슬릿을 통과하면 거의 팸토초,

그러니까 천조분의 1초라는 빠른 시간 만에

빛의 속성이 계속해서 변하도록 만들었고,

이 스크린에 도달한 데이터가

빛이 시간상에서 파동성을 보이는지 확인을 해 보았는데,

놀랍게도 빛이 파동성을 보일 수 있는 슬릿의 간격을

빛이 통과하는 데 걸릴 만큼 짧은 시간 동안에는

파동성을 보인다는 것을 발견한 것입니다.

 

물리학자들은 이미 예상한 일이지만,

이 실험의 성공이 의미하는 것은

아인슈타인의 생각대로 시간은

공간과 같은 x, y, z 중 하나일 뿐이며,

우리가 시간을 공간과 다른 개념으로 생각하는 이유가

시간 방향으로, 빛의 속도에 가까운 속도로 이동을 하기 때문에 그렇다는 것입니다.

 

우리가 아무리 이론적으로는 당연한 결과라고 해도

상대성 이론과 양자 역학의 이론적인 예측을 완벽하게 실현을 했다는 것은 놀랍습니다.

 

더 재미있는 상상을 하자면,

수천분의 1초 사이에 전자의 속성까지 변경을 할 수가 있다면

시간축에서 전자의 이중슬릿 실험도 이론상으로는 가능하고,

관측, 즉 상호작용을 하면 파동함수가 붕괴가 되고 입자가 되는 것이

시간 축에서도 마찬가지인지

증명할 가능성도 존재한다는 것입니다.

 

물론 이는 쉬운 일이 아니고

어차피 공간이나 시간이나 완전히 동일한

물리적 차원 중의 하나인 게 맞다는 증거들이 많기 때문에

실험을 해보지 않아도 예상할 수가 있는 일이지만,

만약에 실험을 통해서 다시 한번 확인이 된다면 놀라울 것 같기는 합니다.